普通生物学第七章遗传与变异.ppt

第七章 遗传与变异,福建农林大学生命科学学院庄振宏,遗传(heredity）指的是子代与亲代在形态、结构和生理功能上具有相似的特性。变异(variation)指的是子代与亲代和子代个体之间总具有差异的特性。研究生物遗传与变异规律的学科即遗传学（Genetics）,第一节 遗传学诞生过程和孟德尔遗传定律 一、遗传学诞生及发展分支 1 亚里斯多德（Aristotle，）“泛生论”（pangenesis）。2 拉马克（）“用进废退”进化学说，即认为获得性具有遗传性。3 达尔文（Charles Darwin）也推崇泛生论，认为亲代的获得性状可传给子代，并以此来解释其进化论。,4 魏斯曼（A.Weismann）提出的种质说5 孟德尔（J.G.Mendel）用豌豆作遗传研究的材料，对控制遗传性状的遗传因子传递规律进行了研究，发现了遗传的两个基本规律6 摩尔根（T.H.Morgan）证明了控制生物遗传性状的遗传基因位于染色体上并显直线排列7 经典遗传学、分子遗传学、细胞遗传学、群体遗传学和数量遗传学,二、孟德尔定律,性状（traits；character）指一个生物个体所表现出的形态特征和生理特性将单一性状成对地加以比较，这种同一性状的不同表现性称之为相对性状。特点:确证性状是“真实遗传”的（true-breeding）,“量化”的研究方法（quantitative approach）（一）豌豆杂交试验F1代中显现出来的亲本性状称为显性（dominant）性状，而被掩盖的亲本性状为隐性（recessive）性状,从试验结果来看，这7对相对性状都在F1中表现为显性特征，而在F2中出现分离，显性植株数目占75%左右，隐性植株占25%左右，呈31规律。,（二）分离定律生物的遗传性状是由遗传因子（hereditary determinant）决定的。植株的每一种性状都分别由一对遗传因子控制。如一对遗传因子控制籽粒的饱满与皱缩。形成生殖细胞时，每对遗传因子相互分开，即分离，然后分别进入生殖细胞。在杂种中，遗传因子组合成对，一个来自父本的雄性生殖细胞（雄配子），另一个来自母本的雌性生殖细胞（雌配子）。生殖细胞的结合即遗传因子的组合是随机的。纯合体（homozygote）杂合体（heterozygote）,红花（CC）白花（cc）,配子 C c,杂交,F1,（Cc）,自交雌配子,自交雄配子,纯合体,杂合体,图7-1 孟德尔豌豆杂交试验中花色遗传因子遗传与控制性状的推测,（三）自由组合定律,黄色饱满 X 绿色皱缩,子一代,黄色饱满,子二代：黄色饱满黄色皱缩绿色饱满绿色皱缩 9 3 3 1,P：RRYY X rryy配子 RY ryF1 RrYy,孟德尔的解释,第二节 遗传物质的染色体基础,一、基因与染色体1 约翰森（W.Johannsen）1909基因（gene）替代孟德尔的遗传因子（hereditary determinant），将生物所继承的遗传学组成称为基因型（genotype），并与生物表现型（phenotype）区分开来2 1902年美国的萨顿（W.S.Sutton）和德国的博韦里（T.Boveri）初步提出了遗传的染色体学说。同源染色体（homologous chromosome），等位基因（alleles）,摩尔根（T.H.Morgan）的果蝇杂交试验获得了基因与染色体关联的直接证据。白眼雄蝇与红眼雌蝇交配，F1代的果蝇不管雌雄都为红眼。F2代，雌蝇全是红眼，雄蝇则半数是红眼，半数是白眼。F2代红眼比白眼为3:1，其遗传是符合孟德尔的分离定律的。但白眼全为雄性，这显然与孟德尔的定律不符眼色遗传性别相关的解释：（1）眼色基因位于性染色体（X）上；（2）雄性染色体（Y）不含决定眼色的等位基因；（3）白色眼是隐性形状，在雄蝇中由于没有等位基因，隐性性状相当于处于纯合的状态，因而得以显现；（4）雌蝇中只有两白色眼基因纯合后才能表现出该性状。将特定的遗传性状及与之对应的基因同特定的染色体联系起来，形成了遗传的染色体学说。,二、染色体与遗传一种生物总有确定的染色体组成，因此将某种生物所有染色体的数目及形态称为染色体组型或核型（karyotype）。果蝇2n=8，n=4；拟南芥2n=10，n=5；水稻2n=24，n=12；人类2n=46，n=23。,三、染色体在世代传递中与基因的平行关系同源染色体（homologous chromosome），等位基因（alliles）,图7-5 人类男性性别体细胞染色体组型,四、性别决定与伴性遗传（一）性染色体性染色体（sex-chromosome），其它的染色体称为常染色体（autosome）,图7-6 雌、雄果蝇染色体组,（二）雄性异配型和雌性异配型1 人类与果蝇雄性染色体为一对形态相异的染色体，这种性染色体类型称雄性异配型。人的男性为22AA+XY、女性为22AA+XX。,2 鸟类雄性个体有两个相同的性染色体，记为Z，即雄性为AA+ZZ，而雌性个体则有一对异形的性染色体，记为ZW，这种性别决定类型称为雌性异配性别。,（三）伴性遗传伴性遗传（sex-linked inheritance）是指控制性状的基因在性染色体上，其遗传方式与性染色体的遗传方式密切相关。伴性遗传又称性连锁遗传。（1）正反交的结果不同；（2）后代性状的分布和性别有关；（3）常呈一种交叉遗传（criss-cross inheritance），即基因常常由母亲传给儿子，再由儿子传给外孙女。X连锁隐性遗传：人类最常见的是红绿色盲。红绿色盲受隐性基因(b)控制，该基因位于X染色体上，正常色觉为显性，其基因用B表示。,人类红绿色觉基因的性连锁遗传,正常,XBY,XBXb,XBY,色盲,正常,携带者,正常,正常,携带者,正常,色盲,P XBXB XbY,第一代,第二代 XBXB XBXb XbY XBY,利用果蝇的杂交试验，摩尔根等不仅将基因与染色体关联起来，还证明了基因在染色体上呈直线排列。同一条染色体上的基因在遗传时，趋向于连锁在一起遗传。,五、连锁交换定律及其染色体基础（一）连锁遗传现象贝特森和庞尼特的杂交试验结果说明了两对相对性状具有联系在一起遗传的倾向紫花(P)对红花(p)为显性，长花粉粒(L)对圆花粉粒(1)为显性,（二）连锁遗传的染色体原因红眼为显性(pr+)，紫眼为隐性(pr)；长翅显性(vg+)，残翅为隐性(vg),P：红眼常翅 X 紫眼残翅F1 红眼常翅 X 紫眼残翅（测交）测交后代表型：红眼常翅 红眼残翅 紫眼常翅 紫眼残翅测交后代统计：1339 151 154 1195,同一染色体上直线排列的基因，其遗传也表现出连锁性，称为同一连锁群。基因在染色体上位置的“染色体图”（chromosome map，又称连锁图linkage map）,P的基因型,F1的基因型,F1性母细胞的减数分裂,无交换发生,交换发生,配子,图7-8 连锁遗传现象的染色体解释,（三）完全连锁和不完全连锁同一同源染色体上的非等位基因紧密连锁一同遗传的现象叫做完全连锁(complete linkage)不完全连锁（incomplete linkage），是指同一源染色体上的两个非等位基因之间或多或少地发生非姊妹染色单体之间的交换，测交后代中大部分为亲本类型，少部分为重组类型的遗传现象。（四）交换值所谓交换值(crossing-over value)，严格地讲是指同源染色体的非姊妹染色单体间有关基因的染色体片段发生交换的频率。交换值(%)=（交换型配子数/总配子数）100（基因间的遗传距离常用厘摩尔根（cM）为单位，1cM表示两基因间的交换值为1%。）,六、基因定位与连锁遗传图（一）基因定位将确定距离和顺序的基因在染色体上的相对位置标志在染色体上绘制成图，就称为连锁遗传图(linkage map)。1两点测验 2三点测验 通过一次杂交和一次用隐性亲本测交，同时确定三对基因在染色体上的位置。（二）连锁遗传图通过两点测验或三点测验，即可将一对同源染色体上的各个基因的位置确定下来，绘制连锁遗传图。连锁遗传图又称为遗传图谱(genetic map)。存在于同一染色体上的基因群，称为一个连锁群(linkage group)。物理图谱（physical map）,第三节 遗传的分子基础一、DNA是主要的遗传物质（一）遗传物质的主要载体是染色体（二）DNA是遗传物质的证据肺炎双球菌(Diplococcus pneumonoae)的转化实验Avery等从S型细菌中分别抽取出DNA、蛋白质和荚膜物质 二、核酸的化学组成多聚核苷酸（nucleotide）分子，核苷酸间通过3、5 磷酸二酯键连成核酸链,三、DNA与染色体一条染色体实际上只含一个连续的DNA分子，核小体是染色质的基本结构单位，六个核小体绕成一个螺旋周，形成螺线管，螺线管再螺旋成超螺线管直至形成染色体的致密结构。,DNA单链,碱基对,核小体,DNA双螺旋,染色质,着丝点,染色单体,染色体,细胞核,四、RNA的结构及种类*细胞内的RNA分子主要分为信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）三种类型。tRNA具有三叶草的二级结构和L型的三级结构，是特定氨基酸的载体，参与密码的识读和蛋白质的合成。,五、DNA的复制*（一）DNA的复制是半保留的（semi-conservative replication）。（二）DNA分子复制的酶学过程原核细胞DNA的复制DNA复制原点（origin）：碱基的甲基化修饰和与复制启动相关蛋白因子的结合来启动复制DNA分子在解旋酶的作用下，把双链解开，这个过程叫做解旋。通过拓扑异构酶的作用，解除DNA分子的紧旋状态。以解开的每段链为模板，引物酶合成一段RNA作为DNA合成primer,DNA聚合酶的作用下，在引物的下游进行延伸合成出与母链互补的子链（53端）先导链（leading strand）冈崎片断（Okazaki fragment）延伸到靠近前一冈崎片段的引物位置时，由DNA聚合酶I一边发挥5-3合成功能继续进行延伸合成，一边发挥5-3外切核酸酶活性对RNA引物进行水解，用DNA取代RNA引物。最后由DNA连接酶将两段DNA连起来。DNA聚合酶与一些蛋白质因子组成复制体（replisome），由因子形成一个环状的滑动夹子（sliding clamp）结构，可调动DNA聚合酶的3-5外切核酸酶的活性将错误的核苷酸除去，合成正确配对碱基的核苷酸。在复制终止相关的蛋白质因子作用下完成DNA复制。,DNA 复制方向,图7-14 原核细胞DNA复制模式图,2真核细胞DNA的复制,先导链的合成在DNA聚合酶（Pol）催化下进行。随后链的复制在DNA解链一段区域时，单链结合蛋白（真核复制因子RF-A）与其结合，在达到约100-200个碱基时，引物酶合成出一个新的RNA引物，聚合酶对其进行延伸合成。冈崎片段延伸至前片断的RNA引物处时，利用MF-1核酸酶将引物除去，聚合酶、（Pol、）延伸这一段，然后在连接酶的作用下，将片断连接起来。,真核生物DNA合成示意图,细菌与真核生物DNA复制的比较,第四节 基因对性状的控制一、基因与DNA（一）基因是有遗传效应的DNA片段生物的性状通过染色体上的基因传递给后代，即通过碱基的排列顺序来传递遗传信息的（二）基因的碱基序列决定蛋白质氨基酸序列 首先是转录（transcription），然后以RNA作为信使翻译（translation）。一定结构的DNA，可通过转录和翻译最后合成相应的特定功能的蛋白质。Crick的“中心法则”（central dogma）。,DNA RNA 蛋白质,翻译,转录,复制,（三）遗传密码（genetic code）遗传密码的特点：64个密码子中，有三个密码子UAA、UAG和UGA不编码任何氨基酸，称为无义密码子（nonsense codon），又称为终止密码（stop codon）通常使用AUG作为起始密码子，对应氨基酸为甲硫氨酸。也有少数使用GUG作为起始密码子，第一号氨基酸为缬氨酸。遗传密码的阅读是连续遗传密码在生物界中存在普遍性密码子使用偏好 如大肠杆菌在编码苏氨酸时更多的是采用4个密码子中的ACG“一个基因一种酶”（one gene-one enzyme hypothesis）的假说“一个基因一条多肽链”,二、基因的表达过程（一）转录 转录是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的过程。一个典型的基因由控制转录起始的启动子（promoter）、转录区和终止子（terminator）三部分组成,启动子,转录区,终止子,编码链,RNA聚合酶,模板链,RNA,一个或多个多肽,转录,翻译,1转录是RNA聚合酶催化的核苷酸聚合过程。大肠杆菌RNA聚合酶的活性形式（全酶）由5种不同的多肽链亚基构成，全酶为2，2为核心酶。亚基具有识别特异启动子的功能。亚基似乎是酶和核苷酸底物结合的部位，亚基具有与模板DNA结合的功能。亚基的功能可能与通用启动子识别有关。2真核细胞中的RNA聚合酶真核细胞核内有三种RNA聚合酶，位于不同的部位，且均有复杂的亚基结构。每种酶负责不同种类基因的转录。,RNA聚合酶合成RNA的活性最显著。它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因（称rDNA）。RNA聚合酶位于核浆中，负责核内不匀一RNA（hnRNA）的合成。hnRNA是mRNA的前体。RNA聚合酶负责合成tRNA和许多小分子的核内RNA。,3启动子 启动子是DNA分子可以与RNA聚合酶特异结合的部位，也就是使转录开始的部位。启动子一般可分为两类：一类是RNA聚合酶可以直接识别的启动子。这类启动子多数情况下能与RNA聚合酶结合使其下游的基因得到转录，如一些组成型表达基因的启动子。另一类启动子在和RNA聚合酶结合时需要有蛋白质辅助因子的存在。这些参与基因转录的蛋白质称为转录因子（transcription factor）。,RNA聚合酶I的启动子结构相对简单；RNA聚合酶合成mRNA的前体，其转录本种类多，启动子的结构也最为复杂；RNA聚合酶所识别的启动子位于转录顺序内，称为内启动子。,4终止子 基因转录终止的信号位于转录的末端序列内。在一个基因的末端往往有一段特定序列，它具有转录终止的功能，这段终止信号的序列称为终止子（terminator）。原核细胞终止子的共同序列特征是在转录终止点之前有一段回文序列，约7-20 bp。回文序列的两个重复部分由几个不重复碱基对的不重复节段隔开，在终止点位置是一串富含A碱基的区域。,反向重复序列,5 ATTAAAGGCTCCTTTTGGAGCCTTTTTTTT 3,3 TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAAAA 5,转录终止了序列及转录成RNA形成的发夹结构,操纵元（operon）。操纵元是一个完整的细菌基因的表达协调单位。对大肠杆菌的乳糖操纵子Lac来说，I基因是调节基因，具有原核细胞典型的基因结构，包括通用型的启动子和终止子以及一段转录区域，其产物是一种具有与特殊DNA序列结合的蛋白。O是操作子，与基因的启动子有部分重叠。下游是一段转录区，具有lacZ、Y及A是三个结构基因。可以为三个酶蛋白编码（图7-18）。调节基因lac编码的蛋白质能与操作子特异性的识别和结合，抑制基因的转录功能，它一旦与操作子（lacO）结合，占据了启动子的位置，RNA聚合酶不能结合到启动子上，因此被称为阻遏蛋白质。这样结构基因所编码的相应的三种酶，即-半乳糖苷酶、透性酶和乙酰基转移酶也就无法合成。同时阻遏蛋白可以与底物乳糖及其类似物结合形成复合物，使阻遏蛋白丧失与操作子结合的能力而失去阻遏能力。于是，结构基因便得以开启，恢复了转录活性。,乳糖操纵元及其调节控制,（二）翻译 1原核细胞蛋白质合成的酶学及过程主要对E.coli核糖体的研究，认识了核糖体颗粒由三种大小的rRNA分子和54种蛋白质组成，有两个亚基，按其离心分离时的沉降系数分别为30S亚基和50S亚基。两亚基组成的核糖体为70S。（1）核糖体具有与蛋白质合成相关的分子结合部位和催化活性部位 mRNA结合部位。两个tRNA结合位点。氨基酰-tRNA位点（A位点）和肽酰-tRNA位点（P位点）。GTPase中心。位于50S亚基上，为延伸提供能量。肽酰转移酶中心。将肽转移到氨基酰-tRNA上并完成肽键的形成。,（2）翻译涉及多种因子和多步骤的酶学反应过程氨基酸先由特定的酶加载到特定的tRNA上。然后通过核糖体循环，氨基酸间通过肽链连接成氨基酸多肽。在核糖体循环过程中，蛋白质合成可分为肽链合成的起始（intiation），肽链的延伸（elongation）和肽链合成的终止（termination）三个主要步骤。氨基酸的活化与转运氨基酸活化后与相应的tRNA结合的反应，均是由特异的氨基酰-tRNA合成酶（amino acyl-tRNA synthetase）催化完成的。氨基酰-tRNA合成酶的底物特异性决定了什么tRNA装载什么氨基酸。氨基酰-tRNA复合物的形成是非常精确的。Ile（异亮氨酸）的氨基酰-tRNA合成酶能精确区别Ile和Val（缬氨酸），Ile和Val仅有单个甲基的差异，以致这二种氨基酸与Ile氨基酰-tRNA合成酶的结合能之差仅2-3Kcal。,肽链合成的起始肽链合成的起始先由核糖体小亚基、mRNA和起始因子形成三元复合物(trimer complex)，IF3-30S亚基-mRNA三元复合物。再在起始因子2（IF-2）的作用下，甲酰甲硫氨酸-起始型tRNA（tRNA-fMet）与mRNA分子中的起始密码子（AUG或GUG）相结合。同时IF-3从三元复合物脱落，形成30S前起始复合物，即IF2-30S亚基-mRNA-tRNA-fMet复合物。然后50S亚基与上述的30S前起始复合物结合，同时IF-2脱落，形成70S起始复合物，即30S亚基-mRNA-50S亚基-tRNA-fMet复合物。此时tRNA-fMet占据着50S亚基的肽酰位（peptidyl site，P位），而50S的氨基酰位（aminoacyl site，A位）暂为空位。,E.coli 蛋白质合成70S起始复合物,在起始复合物形成后，mRNA上的起始密码AUG便位于核糖体一定的位置。识别AUG起始密码的tRNA携带氨基酸进入核糖体。起始蛋白质合成的第一个氨酰tRNA为起始甲硫氨酰tRNA（tRNA-fMet），其携带的Met被甲酰化的，专门起始蛋白质的合成（图7-19）。在mRNA上有一段参与转录起始的区域，称为SD（由J.Shine和L.Dalgarno发现）序列，是在mRNA分子中起始密码子的上游8-13个核苷酸处的一段富含嘌呤核苷酸的序列，它可以与30S亚基中的16S rRNA 3 端富含嘧啶的尾部互补，形成氢键结合，因此有助于mRNA的翻译从起始密码子处开始。,肽链合成的延长这一过程包括进位、肽键形成、脱落和移位等四个步骤。肽链合成的延长需两种延长因子(Elongation factor，EF)的参与，分别称为EF-T和EF-G。此外还需GTP为反应提供能量。在肽链合成时，新的氨基酰-tRNA进入50S大亚基的A位，其tRNA上的反密码子与mRNA分子上起始密码随后的第二个密码子进行碱基的互补配对。在70S起始复合物的基础上，原来结合在mRNA上的fMet-tRNAMet占据着50S亚基的P位点（当延长步骤循环进行二次以上时，在P位点则为肽酰-tRNA）。在大亚基上肽酰转移酶活性区的催化下，将P位点上的tRNA所携带的甲酰甲硫氨酰(或肽酰基)转移给A位上新进入的氨基酰-tRNA的氨基酸上，即由P位上的氨基酸(或肽的3 端氨基酸)提供-COOH基，与A位上的氨基酸的-NH2基形成肽链。此后，在P位点上的tRNA成为无负载的tRNA，而A位上的tRNA负载的是二肽酰基或多肽酰基（图7-20）。50S亚基P位上无负载的tRNA如tRNA（Met）从核糖体上脱落下来。,在EF-G和GTP的作用下，核糖体沿mRNA链(53)作相对移动。每次移动相当于一个密码子的距离，使得下一个密码子能准确的定位于A位点处。与此同时，原来处于A位点上的二肽酰tRNA转移到P位点上，空出A位点。随后再依次按上述的进位、肽键形成和脱落步骤进行下一循环，即第三个氨基酰-tRNA进入A位点，然后在肽酰转移酶催化下，P位上的二肽酰tRNA又将此二肽基转移给第三个氨基酰-tRNA，形成三肽酰tRNA。同时，卸下二肽酰基的tRNA又迅速从核糖体脱落。像这样继续下去，延长过程每重复一次，肽链就延伸一个氨基酸残基。（图7-21）。通过实验已经证明，mRNA上的信息的阅读是从多核苷酸链的5 端向3 端进行的，而肽链的合成是从N端向C端的。,蛋白质合成的进位与肽键形成,蛋白质合成的tRNA脱落与核糖体移位,肽链合成的终止肽链合成的终止，需终止因子或释放因子（releasing factor，RF）参与。在E.coli中已分离出三种RF1、RF2和RF3。均具有识别mRNA链上终止密码子的作用，使肽链释放，核糖体解聚。最后，核糖体与mRNA分离，同时在核糖体P位上的tRNA和A位上的RF也被脱除。与mRNA分离后的核糖体又分离为大小两个亚基，可重新投入另一条肽链的合成过程。核糖体分离为大小两个亚基的反应需要起始因子(IF3)的参与。,真核生物蛋白质的合成真核生物蛋白质的合成是在细胞质内进行的。真核细胞的基因还普遍存在内含子的结构，先形成的RNA称核内不均一RNA（hnRNA）。在其作为信使转运到细胞质前，RNA还要在核内经过拼接和加工，产生出“成熟”的mRNA。加工包括将内含子切除、外显子连接、5 端加上帽子结构（图7-22）和3 端聚合一段腺苷酸的尾巴。真核细胞的蛋白质生物合成过程基本类似于原核细胞的蛋白质生物合成过程。主要区别在真核细胞蛋白质生物合成的起始步骤。这一步骤涉及的起始因子至少达十多种，因此起始过程更为复杂些。,对真核生物蛋白质合成的起始因子(Eucaryotic initiation factor，简写为eIF)的研究分析经过了多年的努力，1970年Anderson等人首先从真核细胞中分离出三种用于蛋白质生物合成的因子。1977年，Schreier和Staehelin从兔网织红细胞中分离出9种elF，人们对真核细胞elF及在蛋白质生物合成中的作用有了更多的认识。,5-5三磷酸二酯键,有些RNA中被甲基化,真核生物mRNA 5 端的帽子结构,真核生物蛋白质生物合成的起始在真核生物蛋白质生物合成起始时，40S核糖体亚基几乎总是选择第一个起始密码子AUG，开始对mRNA翻译，这种选择比原核细胞对起始密码子的选择方式更简单些。首先，真核细胞AUG是唯一的起始密码子，而在原核细胞（E.coli）可作为起始密码子的三联体除AUG外还有GUG，甚至UUG、AUU也可用于翻译的起始。其次，定位在mRNA 5 末端的AUG（通常距5 末端10-100个核苷酸）总被选择。肽链的延长和终止与真核细胞蛋白质生物合成的起始因子相比较，在延长和终止步骤中所涉及的因子就相对简单。在这一点上与原核细胞中的情形比较相似。,延长因子(EF)，分子量约50KD。EF1可与GTP和氨基酰-tRNA形成复合物，并把氨基酰-tRNA供给核糖体。EF1催化GDP-GTP交换，有助于EF1再循环利用。EF2分子量约100 KD，相当于原核细胞的EF-G，催化GTP水解和使aa-tRNA从A位转移至P位。肽链合成的终止仅涉及到一种释放因子（RF），分子量约115 KD。它可以识别所有的三种终止密码子UAA，UAG和UGA。RF在活化了肽链酰转移酶释放新生的肽链后，即从核糖体解离，解离过程涉及GTP水解。,第五节 生物的变异*一、染色体重组与变异（一）同源性重组同源性重组（homologues recombination）发生在DNA的同源序列之间，需要DNA碱基序列在一段较长区域具有一致性。同源性重组有几个基本的特征：在交换区具有相同或相似的DNA序列 除了两分子间可以发生同源重组外，同一DNA内有些区域具有序列相同或相似的序列如重复序列，也可以发生分子内的重排。这种方式对于遗传信息的进化非常重要。重组需要重组酶和一些蛋白质因子的参与 重组过程是一个由多种酶和蛋白质因子参与的分子步骤。现在已从大肠杆菌中分离出参与同源重组的二十多种酶及蛋白质，包括RecA、RecBCD、RecBC、RecF、RecG、Ruv、SSB、DNA拓扑异构酶、DNA连接酶、DNA聚合酶I、解旋酶等。,（二）非同源性重组非同源性重组无需DNA序列长区段的同源性，包括位点特异性重组（site specific recombination）和异常重组（illegitimate recombination）。噬菌体感染大肠杆菌后的溶源生长将其基因组完整地整合到细菌的基因组中，这种整合重组的发生总是以噬菌体的固定序列与大肠杆菌的固定位点间发生DNA的断裂和重组，因此是一种典型的位点特异性重组。异常重组发生在彼此同源性很低或没有同源性的DNA序列之间，不需要对特异性序列进行识别的复杂系统或对DNA同源序列进行识别的机制，可以发生在DNA很多不同的位点，具有较强的随机性。异常重组按其发生机制主要分为两类：末端连接（end-joining）和链滑动（strand-slippage）。末端连接是B.McClintock研究转座子时发现的一种染色体重组现象，染色体在转座子的切离因子（dissociation，Ds）切离后造成染色体的断裂后，形成无端粒的染色体，复制后的无端粒染色体的末端可以连接起来形成双着丝点染色体，双着丝点染色体又会发生染色体的断裂，在下一轮的细胞分裂过程中又重复发生连接和断裂的过程。这样就形成了DNA的不同的重组形式。,链滑动实际上是由于DNA复制时DNA序列的复杂性引起的一种复制重组形式，往往发生在一些重复序列和回文序列的位点。这些序列因素引起了模板与新生链间的滑动配对，在修复机制及聚合酶的作用下，使DNA产生一段新序列的插入或一段序列的缺失。（三）转座子引起的重组转座子（transposons）是在基因组中可以转移位置的一段DNA序列。最初由B.McClintock于40年代玉米的遗传学研究中发现和假设出来，她提出了切离因子（Ds）和活化因子（activator，Ac）的概念，并将其统称为控制元件（controlling element），其中的Ac可以促使Ds在基因组中发生转座。转座的发生需要一种特殊的转座酶参与。后来发现在所有生物的基因组中实际上都有这样的一些转座子，具有一定的DNA序列特征，例如末端具有一段反向的重复序列，自身能编码转座酶，组成转座子最基本的结构形式。转座子又称插入序列（insertion sequences，IS）。有些转座子除带有转座酶外，还具有一些其他的功能基因，最常见的是抗生素抗性基因，组成复合型的转座子（composite transposons）结构。,转座子在基因组中发生转座可以引起基因重组，同时还可能引起染色体发生缺失、倒位、末端连接、基因表达模式改变等多种遗传学效应。当前在模式生物果蝇的分子遗传学研究中，利用果蝇的转座子作为一种诱发基因突变的标签，将转座子转入到目标基因中发生重组可以将目标基因的正常功能破坏，这种技术叫基因敲除（knock out）。（图7-23）。,果蝇P因子转座引起多线染色体带型的变化,（左为带纹模型，中为正常染色体，右为P因子插入箭头所指位置）,（四）DNA重排个体的基因组内某些特殊的位点可能非常活跃地发生着变化。通常这些改变只发生在体细胞中，性细胞内的基因组则保持不变，来保持物种遗传的相对恒定。例如马蛔虫在发育的过程中体细胞将其染色体成段地丢失，成为其发育过程调控基因表达的一种形式。DNA重排可以产生两种结果：1通过重排产生特殊情况下需要表达的新基因，例如针对抗原产生相应的免疫球蛋白；2通过重排改变基因的表达，适应生长发育的新需要。酵母结合型的转变就是通过DNA的重排来实现的。在酿酒酵母（S.cerevisiae）这种单细胞真核生物中有两种结合型，型和a型。酵母的结合型是由一段编码信息素（pheromone）的基因位置来决定的，在酵母的基因组中有一处活跃表达的匣子，当型基因处于这一位置时，酵母的结合型为型。在型细胞中也带有a的基因，a处于不表达的匣子部位。但型酵母中有一定的概率（10-6）将a型的基因重排到活跃表达的匣子中，这时细胞的结合型就转变为a型。,DNA重排是哺乳动物免疫多样性产生的主要机制。免疫球蛋白具有显著的多样性，针对环境中数以千万计的抗原分子类型，产生特异性的与之结合的抗体。一个人能产生的不同类型抗体的数目比体内其他种类蛋白质的总和还多。免疫球蛋白由两条重链和两条轻链组成，重链和轻链都有可变区（VL、VH）和不变区（CL、CH）。其相应编码的基因在轻链内包括V和C区段和一个中间连接（J）区段，小鼠的胚胎细胞和非淋巴样细胞中V的编码单位有350个，J有5个单位，其中之一为假基因，通过重排轻链就可以产生1400种组合。重链V区段的编码单位可能多达1 000个，还有多个的J编码单位及D（diversity）单位。使其重排后产生更多的组合。同时在B细胞中，相应的V基因的序列还发生着大量的突变，从而使抗体的类型更多。,二、基因突变（一）基因突变的类型基因突变（mutation）指基因碱基序列发生的任何可导致遗传效应的变化。发生了突变的基因称突变基因，与此相对应的为野生型基因。携带突变基因的个体称突变体（mutant），与其相对应的是野生型（wild type）个体。基因突变发生的形式有多种，包括碱基替换（base substitution），缺失（deletion）和插入（insertion）。基因突变的发生可以自发产生，称自发突变（spontaneous mutation）；也可以人工诱发，称诱发突变（induced mutation）。在DNA复制过程中由于聚合酶的校对功能使复制产生错误的几率低于10-7，加之修复系统的工作，其自发突变的几率估计低于10-9。,碱基替代的突变分为：转换（transation）和颠换（transversion），转换指DNA分子上碱基的替代是以一种嘧啶（C/T）替换另一嘧啶，或者一种嘌呤（A/G）替换了另一嘌呤；颠换则是指嘧啶替换了嘌呤或嘌呤替换了嘧啶。镰刀形贫血症是由于位于11号染色体上的球蛋白基因发生了一个点突变引起的，即序列CCTGAGG变成了CCTGTGG而引发的遗传性突变疾病。点突变使其氨基酸序列的第6号氨基酸从谷氨酸转变为缬氨酸。所以即使是单一碱基的突变也可能产生严重的后果。碱基替换的突变可以产生的效应来看，有：同义突变（synonymous mutation）沉默突变（silence mutation）；无义突变（nonsense mutation）。,在一个基因内发生DNA的缺失或插入也可以产生沉默突变和无义突变，但更可能的是发生移码突变（frame shift mutation）（图7-24）。,GGG AGT GTA GAT CGT,GGG AGT GTT AGA TCG T,单碱基的突变改变一个密码子,GGG AGT GCA GAT CGT,原DNA序列,a.碱基替换,b.碱基插入,c.碱基缺失,GGG AGT GAG ATC GT,单碱基的插入引起移码突变。,单碱基的缺失引起移码突变。,单碱基的突变对基因的影响,（二）诱发的基因突变1物理因素的诱变 引起DNA突变的物理因素主要包括各种电离辐射和非电离辐射。能量较高的辐射可以产生热能，使细胞内的原子发生“激发”（activation）而变得活跃。高能量辐射如X射线、射线、射线、射线、中子线等除产生热能、激发原子，还能使原子发生“电离”（ionization）作用，对DNA可以产生直接的损伤，诱使基因发生突变。辐射诱变的作用是随机的，并没有明显的特异性。非电离辐射源主要是紫外线。紫外线穿透力较弱，所以一般应用于微生物或高等生物的配子诱变。紫外线(UV)主要作用于嘧啶，使得同链上邻近的嘧啶核苷酸间形成多价的联合。如使T联合成二聚体、C脱氨成U、将H2O光解加到嘧啶的C4、C5位置上，削弱C-G之间的氢键，使DNA链发生局部分离或变性（图7-25）。,紫外线照射使DNA相邻的胸腺嘧啶形成二聚体,2化学因素诱变多种化学因素可以通过妨碍DNA某一成分的合成代谢引起DNA变化，或者作为碱基类似物参与DNA的合成，从而导致DNA的突变。如5-溴尿嘧啶(5-BrU)、5-溴去氧尿核苷(5-BrudR)、2-氨基嘌吟(2-AP)；碱基类似物诱变：化学药物分子结构与DNA碱基相似，在不妨碍基因复制的情况下能渗入到基因分子中。在DNA复制时引起碱基配对差错，最终导致碱基对的替换，引起突变（图7-26）。,图7-26 5-溴尿嘧啶(5-BrU)的构型互变特性使其既能与A配对也能与G配对,酮式,烯醇式,化学物质改变DNA某些特定的结构：亚硝酸(HNO2)通过氧化脱氨作用使A和C碱基的C4位置的氨基脱去，从而改变了碱基配对的模式，在复制后DNA相应碱基发生转换突变（图7-27）。,图7-27 亚硝酸通过对碱基的氧化脱氨引起DNA碱基的转换,烷化剂如甲基磺酸乙酯（EMS，CH3SO2OC2H5）等都带有1个或多个活泼的烷基，通过烷化作用直接对碱基进行烷化修饰。这样既可以改变碱基的配对模式引起转换和颠换突变。同时烷化剂对基因的烷基化还可以对基因的表达模式产生影响，导致基因表达谱的变化（图7-28）。,图7-28 EMS对碱基烷基化，改变碱基配对的模式,影响DNA复制，引起DNA复制的错误：如溴化乙锭（EtBr）吖啶橙等，具有扁平的分子结构，分子略小于碱基配对的平面，而且还具有一定程度的疏水基团，很容易嵌入DNA双链碱基配对的平面之间，产生基因的移码突变（图7-29）。,EtBr分子插入DNA碱基平面间,图7-29 EtBr的分子结构及与DNA螺旋的结合,三、染色体变异同一物种不同个体间染色体组型具有一致性，而亲缘关系相近物种的染色体组型具有相似性。染色体在结构上的变化称为染色体畸变（chromosome aberration）。染色体数目变异即指在一个细胞内染色体与通常染色体组型内数目的差异。染色体的畸变是一种严重的突变，这种畸变会导致个体性状的显著变化，大多数变化都是不利其生存的，有的甚至产生致死性效应。（一）染色体畸变染色体畸变是染色体发生结构的变化，包括缺失（deletion）；重复（duplication）；倒位（inversion）；异位（translocation）。观察染色体畸变在果蝇中常利用其唾腺细胞中的多线染色体进行观察，因为唾腺染色体多次复制而不分开，使染色体变大变粗，同源染色体也配对在一起。人类染色体的观察常结合染色体显带技术，如吉姆萨染色法（G带）。,1缺失缺失指染色体上丢失了一段片断。在研究果蝇的缺刻翅（notch）突变型时首先发现染色体的缺失突变（图7-30）。该缺失区域位于X染色体控制眼色基因的附近，包括控制眼色的基因。该缺刻翅性状只在雌性杂合子中表现出来，在雌性纯合子和雄性半合子中都是致死的。在雌性半合子中，X染色体白眼性状和与其紧密连锁的几个隐性性状都可以表现出来。说明该区域在同源染色体上发生了缺失。,果蝇染色体缺失后多线染色体出现环形区（箭头指为正常同源配对的区域）,人类的遗传疾病猫叫综合征（cri-du-chat syndrome）是第5染色体短臂的一段杂合缺失而引起的。患儿表现出头小、严重的生长异常和智力低下。2重复重复是在一个染色体组内，某一片段出现不止一次。在果蝇的遗传研究中也发现染色体重复的突变体，如果蝇X染色体上的棒眼基因，它减少果蝇复眼的数目使眼睛呈棒状，由X染色体上的16A区的重复而引起。重复三次的果蝇称超棒眼（图7-31）。,果蝇X染色体16A区的重复产生棒眼性状,人类的一种遗传疾病Huntington disease被证实是第4号染色体的一段三核苷酸的多次重复造成的。“CAG”碱基正常重复26次，但Huntington症病人重复了40-100次。3